知識驅動的雙橫臂懸架導向機構設計

李文雙， 周秋忠

(沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159)

汽車速度隨著高速公路網的發展而不斷提高，使得獨立懸架獲得了很大的發展空間[1].其中，雙橫臂懸架憑借其優秀的運動特性和操縱穩定性在現代汽車設計中被廣泛應用[2].導向機構作為雙橫臂懸架的重要組成部分，其重要性不言而喻.

近年來，對于雙橫臂導向機構的研究主要是運動學分析、機構參數選擇以及硬點坐標的優化.文獻[3]利用ADAMS建立導向機構動力學模型，借此計算出懸架剛度的動態特性；文獻[4]利用MATLAB加快導向機構的動力學仿真速度，降低了懸架幾何表示的復雜性；文獻[5]應用RECURDYN對某6×6輪式雙橫臂獨立懸架的定位參數進行優化；文獻[6]指出導向機構主要幾何參數的選取范圍；文獻[7]采用D-optimal算法對硬點位置進行多目標優化，改善了整車的直線行駛穩定性和不足轉向特性.上述方法在提高雙橫臂懸架導向機構設計效率方面發揮了一定作用，但在導向機構設計系統的開發成本以及建模效率方面仍有改進的空間.針對以上問題文中提出了一種基于定制知識推理的設計方法.

文中總結了雙橫臂懸架導向機構的設計過程，并建立了包括雙搖桿機構、導向機構硬點設計的設計知識流程以及導向機構參數化骨架模型.結合可視化設計知識定制系統，定制了雙橫臂懸架導向機構的設計知識流程，最后通過設計實例驗證了該方法的有效性.

1 導向機構設計流程

設計雙橫臂懸架導向機構涉及到多方面的知識，因此，在著手設計之前，建立完整的設計流程至關重要.雙橫臂懸架導向機構的設計流程主要包括橫向平面設計、縱向平面設計以及水平面設計等內容，具體的流程如圖1所示.

圖1 雙橫臂懸架導向機構設計流程

(1)橫向平面設計.由于側傾中心的位置會因橫向平面內上擺臂和下擺臂的定位角不同而不同，因此，在設計上橫臂和下橫臂在橫向平面內的布置方案時，應該根據側傾中心的設計要求來進行.根據整車制造廠提供的導向機構設計參數，通過調用雙搖桿機構的設計流程來完成主銷、橫臂硬點Y、Z坐標以及側傾中心高度的計算.最后，還需對側傾中心進行校核，以確保結果符合設計要求.

(2)縱向平面設計.雙橫臂懸架導向機構的縱向平面設計對于車輛的縱傾中心和抗制動點頭等車輛特性有著重要影響[8].在縱向平面內，根據已知的設計參數和幾何關系，完成橫臂硬點的X、Z坐標以及縱傾中心的計算.根據縱傾中心的位置，可以判斷汽車制動時車身的下沉程度，有助于懸架系統的調校.

(3)水平面設計.水平面內的設計主要目的是減小主銷的后傾角變化[9].根據已知的設計參數和幾何關系，完成橫臂硬點在水平面內的X和Y坐標的計算.通過這些計算結果，可以確定懸架導向機構在水平面內的幾何布局.

2 設計知識的構建

實現雙橫臂懸架導向機構設計的關鍵前提是對導向機構設計知識進行系統地歸納和分類，以建立包括雙搖桿機構和導向機構硬點設計在內的完整設計知識流程.在此基礎上，依據關聯設計理念，構建導向機構參數化骨架模型，作為導向機構模型的設計基準.

2.1 雙搖桿機構設計知識

在進行導向機構橫向平面設計時，為確保懸架構件不與車身干涉，上下橫臂的擺動角度有一定的范圍約束.因此，可將導向機構視為平面雙搖桿機構進行處理和分析.基于機構綜合理論，并使用復合形算法作為具體實現手段，完成雙搖桿機構設計知識流程的構建，具體設計流程如圖2所示.

圖2 雙搖桿機構設計知識流程

2.2 導向機構硬點設計知識

基于汽車懸架設計理論，整理導向機構的設計知識和專家經驗，結合可視化設計知識定制設計系統，采用不同圖框表達設計知識，定制形成了雙橫臂懸架導向機構的設計知識流程，具體流程如圖3所示.

圖3 硬點設計知識流程

流程圖從設定整車初始參數開始，按箭頭指向順序進行上球銷支點坐標計算等設計步驟.在設計中途需要調用上述雙搖桿機構的設計流程，以計算上下橫臂內支點的坐標.計算出懸架側傾中心高度后，若計算出的側傾中心高度不符合設計要求，流程返回至導向機構參數設定步驟，重新調整參數取值；反之，若計算結果符合設計要求，流程圖繼續運行后續的導向機構其它硬點坐標計算步驟.最終得到的用于驅動雙橫臂懸架導向機構模型的各硬點坐標，并結束流程.

與目前其它導向機構設計方法相比，通過圖框的方式呈現硬點設計知識，不僅能使設計人員更快速地找到所需信息，而且有助于維護設計知識，從而節省時間成本，提高工作效率.此外，本設計流程對設計人員的技術要求較低，這降低了企業對設計專家的依賴，進一步減少了設計成本.

2.3 骨架模型的建立

除了流程設計知識外，導向機構設計知識還包括骨架模型知識，主要涉及導向機構模型中各參數和結構關系的關聯.通過關聯設計和參數化設計方法來控制導向機構模型的布局和關鍵幾何要素等信息，設計人員能夠更直觀地理解空間結構，提高建模效率.

利用CATIA知識工程模塊建立導向機構模型如圖4所示，此骨架模型的構建涉及到多個硬點之間的位置關聯關系.骨架模型以主銷軸線、主銷上下支點與上下橫臂的內支點連線為基礎(圖中虛線所示)，形成了雙搖桿機構的骨架模型.在此骨架模型基礎上，主銷上支點的位置由主銷下支點和主銷的內傾角β、以及主銷軸線長度來確定的.同時，主銷上支點和上橫臂的定位角度決定了上橫臂內支點的具體位置.上橫臂前支點和后支點的位置則由上橫臂內支點和上擺軸與縱軸線之間的夾角θ6決定.最后，主銷上支點、上橫臂前后支點共同決定了上橫臂所在平面的空間位置；同樣，下橫臂內支點的位置由主銷下支點和下橫臂的定位角度θ1確定.下橫臂前支點和后支點的位置由下橫臂內支點和下擺軸與縱軸線之間的夾角θ5確定.最后，主銷下支點、下橫臂前后支點共同決定了下橫臂所在平面的空間位置.

圖4 導向機構主骨架模型

3 設計實例

以某實際車輛的導向機構設計參數為例[10]，通過定制的硬點設計知識流程和骨架模型完成導向機構的設計，導向機構設計參數如表1所示.其中輪距、輪胎靜力半徑、質心高度、軸距為整車已定參數，是固定值，其余參數可根據實際設計要求選定.

表1 導向機構設計參數

使用人機交互窗口，將上述參數輸入到硬點設計知識流程中進行知識推理和推斷，并以高亮顏色顯示當前正在進行的流程圖框，整車初始參數賦值如圖5所示.圖中的主銷內傾角、主銷后傾角等參數都設定了取值范圍，作為賦值的約束條件，并顯示在賦值界面中，供設計人員參考.當設計人員進行參數賦值時，如果參數值不在約束范圍內，界面會出現錯誤提示，提醒設計人員重新賦值.

圖5 導向機構設計參數賦值

以自主定制的設計知識流程為依據，按運行順序對導向機構的硬點參數進行推算，得到導向機構的相應的硬點參數坐標，推算得到的硬點參數如表2所示.然后，將推算得到的硬點參數導入到導向機構骨架模板中，驅動雙橫臂導向機構實例模型的生成.圖6為根據實車參數生成的雙橫臂懸架導向機構模型.

表2 硬點計算結果

圖6 雙橫臂懸架導向機構模型

4 結 論

針對當前雙橫臂懸架導向機構設計方法存在的不足，提出了一種基于定制知識推理的設計方法，旨在降低導向機構設計系統開發成本并提高建模效率.通過查閱文獻，總結出雙橫臂懸架導向機構的整體設計過程，對導向機構設計知識進行歸納分類，整理形成包括雙搖桿機構、導向機構硬點設計的完整設計知識流程.然后，結合可視化設計知識定制設計系統，利用可視化圖框表達設計知識，定制出雙橫臂懸架導向機構的設計知識流程，從而有效地削減了導向機構設計系統的開發成本和操作難度.同時依據關聯設計思想，利用CATIA知識工程模塊構建導向機構參數化骨架模型，從而大幅提高了建模效率.通過對具體車型參數的推理計算，以推算得到設計數據驅動參數化骨架模型，并完成具體實例設計.這一系列實踐證明了基于知識定制方法用于雙橫臂懸架導向機構設計的可行性，并為雙橫臂懸架導向機構的設計提供了一種全新的思路.